DE3801784A1

DE3801784A1 - Lightweight metal piston for internal-combustion engines

Info

Publication number: DE3801784A1
Application number: DE19883801784
Authority: DE
Inventors: Dieter Eschenweck
Original assignee: Kolbenschmidt AG
Current assignee: Kolbenschmidt AG
Priority date: 1988-01-22
Filing date: 1988-01-22
Publication date: 1989-07-27

Abstract

In the case of lightweight metal pistons for internal-combustion engines, the ring-groove sides are provided with a wear-resistant layer. To achieve highly effective wear protection, a layer of plastic having embedded in it particles of solid lubricant with a stratified lattice structure is applied to the ring-groove sides.

Description

Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen, dessen Ringnuten, insbesondere Ringnutenflanken, vorzugsweise der ersten Ringnute, mit einer Verschleißschutzschicht überzogen sind.The invention relates to a light metal piston for Internal combustion engines, the ring grooves, in particular Ring groove flanks, preferably the first ring groove, with are covered with a wear protection layer.

Die Lebensdauer von Brennkraftmaschinen, in denen die Kolben unter hohen thermischen und dynamischen Belastungen laufen, wird oft dadurch begrenzt, daß die Ringnuten der Kolben, besonders die Ringnuten für den ersten Kolbenring, stark verschleißen. Ringnuten- und Kolbenringverschleiß werden gefördert, wenn der Kolben durch hohe Leistungsanforderungen thermisch und dynamisch hoch belastet wird und damit der Kolbenwerkstoff im Bereich der Ringnutenflanken an Härte und Festigkeit verliert, der Kolben bedingt durch die Auslegung der Brennkraftmaschine nur eine kurze führende Schaftlänge besitzt und zum Kippen neigt, der erste Kolbenring infolge mangelnder Schmierung trocken in der Ringnute läuft, durch ungenügende Filterung von der Brennkraftmaschine viel Staub angesaugt wird und/oder stark Rückstände bildender Kraftstoff gefahren wird. Mit zunehmendem Verschleiß vergrößert sich auch das Spiel zwischen Ringnute und Kolbenring, der Kolbenring verliert seine Führung. Er läuft mit seiner Stirnfläche nicht mehr exakt auf der Zylinderlaufbahn, kann sich verkanten und dichtet dadurch gegen die Verbrennungsgase nicht mehr sicher ab. Ölverbrauch und Gasdurchlaß steigen im Laufe der Zeit auf ein nicht mehr vertretbares Maß an. Außerdem besteht die Gefahr, daß der Kolbenring wegen ungenügender Führung in der Kolbenringnute bricht und infolgedessen Kolben und Zylinder zerstört werden. Um diesem gefährlichen Verschleiß der Ringnute entgegenzuwirken, sind in dem Kolben, insbesondere im Bereich der ersten Ringnute, Ringträger eingegossen, die aus Sondergußeisen gefertigt sind und in die die Ringnut eingestochen ist. Durch solche vergleichsweise teuren Ringträger wird das Gewicht des Kolbens nicht unbeachtlich erhöht.The lifespan of internal combustion engines in which the Pistons under high thermal and dynamic loads run is often limited by the fact that the ring grooves of the Pistons, especially the ring grooves for the first piston ring, wear heavily. Ring groove and piston ring wear are promoted when the piston through high Performance requirements thermally and dynamically high is loaded and thus the piston material in the area of Ring groove flanks lose hardness and strength, the Piston due to the design of the internal combustion engine only has a short leading shaft length and for tilting tends to be the first piston ring due to lack of lubrication runs dry in the ring groove due to insufficient filtering a lot of dust is sucked in by the internal combustion engine and / or fuel that forms heavily residues becomes. With increasing wear, this also increases Play between ring groove and piston ring, the piston ring loses its leadership. He runs with his face not exactly on the cylinder track, can tilt and thereby seals against the combustion gases no longer safe. Oil consumption and gas passage increase to an unacceptable level over time. There is also a risk that the piston ring because insufficient guidance in the piston ring groove breaks and as a result, pistons and cylinders are destroyed. Around this dangerous wear of the ring groove counteract, are in the piston, especially in Area of the first ring groove, ring carrier cast in, the are made of special cast iron and into which the ring groove stabbed. By such comparatively expensive The weight of the piston is not irrelevant to the ring carrier elevated.

Bekannt ist auch, bei einem aus Leichtmetall bestehenden Kolben im Bereich der Kolbenringe am Kolbenrohling eine Nut einzustechen und diese nach dem Metallspritzverfahren zunächst mit einer dünnen Zwischenschicht aus Molybdän, Titan, Kobalt, Nickel oder deren Legierungen sowie rostfreiem Stahl auszuspritzen, dann mit einem rostfreien Stahl mit hohem Chromgehalt und einem bestimmten Nickelgehalt aufzufüllen und dann darin die Ringnuten auszubilden (DE-OS 14 00 115). Der Nachteil einer solchen Anordnung besteht darin, daß zwischen dem Leichtmetall des Kolbens und der aufgespritzten Zwischenschicht eine schlechte Haftfestigkeit besteht.It is also known for an existing light metal Piston in the area of the piston rings on the piston blank one Groove and this after the metal spraying process first with a thin intermediate layer of molybdenum, Titanium, cobalt, nickel or their alloys as well spray stainless steel, then with a stainless steel Steel with a high chrome content and a certain Fill nickel content and then the ring grooves in it train (DE-OS 14 00 115). The disadvantage of such Arrangement is that between the light metal Piston and the sprayed intermediate layer one there is poor adhesive strength.

Zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit der Oberflächen eines Leichtmetallkolbens ist in der US-PS 32 85 717 vorgesehen, einen verschleißfesten Aluminiumwerkstoff der Zusammensetzung 12 bis 30% Silizium, 10 bis 30% Kupfer, 2 bis 6% Mangan sowie ggf. bis zu 6% Eisen, 0,5 bis 5% Nickel, 0,5 bis 3% Chrom und 0,5 bis 1% verschiedene andere Metalle, wie Titan, Vanadium, Wolfram, Molybdän usw., Rest Aluminium durch Plasma-Auftragsschweißen aufzubringen, indem der im Lichtbogen verflüssigte Aluminiumwerkstoff auf den angeschmolzenen Leichtmetallwerkstoff des Kolbens trifft und hier eine harte Oberflächenschicht erzeugt. Die Zusammensetzung der Oberflächenschicht ändert sich von außen nach innen, wobei die an Zusatzwerkstoff ärmste Schicht am tiefsten zu unterst liegt. Die Legierungsbildung erfolgt hierbei durch Diffusion des Aluminiumzusatzwerkstoffs in die Oberfläche des Leichtmetallkolbens.To improve the wear resistance of the surfaces a light alloy piston is in US-PS 32 85 717 provided a wear-resistant aluminum material Composition 12 to 30% silicon, 10 to 30% copper, 2 to 6% manganese and possibly up to 6% iron, 0.5 to 5% Nickel, 0.5 to 3% chromium and 0.5 to 1% various other metals, such as titanium, vanadium, tungsten, molybdenum etc., rest of aluminum by plasma cladding to apply by liquefying in the arc Aluminum material on the melted Light metal material of the piston hits and here one hard surface layer generated. The composition of the Surface layer changes from the outside in, whereby the lowest layer of filler material lies below. The alloying is carried out here Diffusion of the aluminum filler material into the surface of the light alloy piston.

Die DE-AS 22 00 033 beschreibt ein Verfahren zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit, vorzugsweise der obersten Ringnute, von Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen, bei dem eine 18 bis 30% Silizium und 2 bis 6% Kupfer enthaltende Aluminiumlegierung unter Anwendung von Elektronenstrahlen mit dem Leichtmetallwerkstoff des Kolbens unter Auflegieren verschmolzen wird. Solche Verfahren haben sich in der Praxis nicht durchsetzen können, da in aller Regel der Aufwand zur Herstellung der Verschleißschutzschicht zu hoch ist.DE-AS 22 00 033 describes a method for Improve wear resistance, preferably the top ring groove, from light alloy pistons for Internal combustion engines, in which an 18 to 30% silicon and Aluminum alloy containing 2 to 6% copper Application of electron beams with the Light alloy material of the piston with alloying is merged. Such procedures have emerged in the Can not enforce practice, as a rule Effort to manufacture the wear protection layer too is high.

Die US-PS 30 14 771 schlägt einen Leichtmetallkolben vor, bei dem eine im Bereich der obersten Kolbenringnute eingestochene Nute mit einem durch Schweißen aufgetragenen Zusatzwerkstoff aus der gleichen Leichtmetallegierung, aus der auch der Kolben besteht, und einer Eisenlegierung aufgefüllt und dann die Ringnut darin eingestochen wird. Als nachteilig hat sich jedoch herausgestellt, daß die Verschleißfestigkeit des aufgetragenen Leichtmetallwerkstoffs nicht den gestellten Anforderungen entspricht.The US-PS 30 14 771 proposes a light alloy piston, one in the area of the top piston ring groove pierced groove with a welded one Filler material made of the same light alloy which also consists of the piston and an iron alloy filled and then the ring groove is pierced. A disadvantage, however, has been found that the Wear resistance of the applied Light metal material does not meet the requirements corresponds.

Schließlich ist aus der DE-OS 32 46 630 ein Verfahren bekannt, bei dem die Ringnuten von Leichtmetallkolben unter Anwendung des Lichtbogenschweißens mit einer siliziumhaltigen Aluminiumlegierung aufgefüllt und in diese dann die Ringnut eingestochen wird. Da die Herstellung solcher Verschleißschichten mit einem erheblichen Aufwand verbunden ist, hat dieses Verfahren noch keine Anwendung in der Praxis finden können.
Finally, from DE-OS 32 46 630 a method is known in which the annular grooves of light metal pistons are filled with a silicon-containing aluminum alloy using arc welding and the annular groove is then pierced therein. Since the production of such wear layers is associated with considerable effort, this method has not yet been able to be used in practice.

Es ist die Aufgabe vorliegender Erfindung, einen hochwirksamen Verschleißschutz, insbesondere für die Ringnutenflanken der ersten Ringnut von Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen zu schaffen, der sich mit vergleichsweise geringem Aufwand herstellen läßt.It is the object of the present invention, one highly effective wear protection, especially for the Ring groove flanks of the first ring groove of light alloy pistons for internal combustion engines that deal with comparatively little effort can be made.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch eine aus einem aushärtbaren Kunststoff hoher Wärmebeständigkeit mit darin eingebetteten Teilchen von Festschmierstoff mit Schichtgitterstruktur bestehende Verschleißschutzschicht gelöst.This object is achieved by one of a curable plastic with high heat resistance in it embedded particles of solid lubricant with Layer wear structure existing wear protection layer solved.

Die Festschmierstoffteilchen bestehen insbesondere aus Graphit und Molybdändisulfid, die einzeln oder in Mischung in dem Kunststoff eingebettet sind.The solid lubricant particles consist in particular of Graphite and molybdenum disulfide, individually or in a mixture are embedded in the plastic.

Im Hinblick auf die angestrebte Wirkung besteht eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Verschleißschutzschicht darin, daß die sich in Längsrichtung erstreckenden Flächen der Festschmierstoffteilchen parallel zu den Nutenflanken der Ringnuten liegend in dem Kunststoff eingebettet sind.With regard to the desired effect, there is one particularly advantageous embodiment of the Wear protection layer in that the in Longitudinally extending surfaces of the Solid lubricant particles parallel to the groove flanks of the Ring grooves are embedded in the plastic.

Die Festschmierstoffteilchen besitzen nach einem ausgestaltenden Erfindungsmerkmal eine Größe von 0,1 bis 40 µm, vorzugsweise 0,5 bis 30 µm.The solid lubricant particles have after one designing inventive feature a size of 0.1 to 40 µm, preferably 0.5 to 30 µm.

Die erfindungsgemäß aufgebaute Verschleißschutzschicht, die eine Dicke von 5 bis 30 µm, vorzugsweise 5 bis 10 µm besitzt, führt zu einer deutlichen Verringerung des Verschleißes der Ringnutenflanken um 45 bis 60%, bezogen auf verschleißschutzfreie Ringnutenflanken, ohne daß dieser Vorteil durch einen nennenswerten Verschleiß am Kolbenring kompensiert würde. The wear protection layer constructed according to the invention, which have a thickness of 5 to 30 microns, preferably 5 to Has 10 µm, leads to a significant reduction the wear of the ring groove flanks by 45 to 60%, related to wear-free ring groove flanks, without that this advantage due to significant wear on Piston ring would be compensated.

Die Verschleißschutzschicht wird in der Weise erzeugt, daß auf die Flächen der Ringnute des bei konstanter Drehfrequenz mit einer Bahngeschwindigkeit von 3,0 bis 6,0 m/s, vorzugsweise 3,5 bis 5,0 m/s, rotierenden Leichtmetallkolbens das Gemisch aus Kunststoff und Festschmierstoffteilchen nacheinander aufgetragen und anschließend warm oder kalt ausgehärtet wird. Durch die Anwendung dieser Verfahrensmaßnahmen läßt sich mit vergleichsweise geringem Aufwand die Verschleißschutzschicht fest mit den Ringnutflanken verbinden.The wear protection layer is produced in such a way that on the surfaces of the ring groove at constant Rotation frequency with a path speed of 3.0 to 6.0 m / s, preferably 3.5 to 5.0 m / s, rotating Light alloy pistons the mixture of plastic and Solid lubricant particles applied one after the other and is then cured warm or cold. Through the Application of these procedural measures can be done with comparatively little effort Wear protection layer firmly with the ring groove flanks connect.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigtThe invention is based on one in the Drawing shown embodiment closer explained. It shows

Fig. 1 die Seitenansicht eines Leichtmetallkolbens in Bolzenrichtung und Fig. 1 is a side view of a light metal piston in the pin direction and

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Details X aus Fig. 1. FIG. 2 shows an enlarged representation of the detail X from FIG. 1.

Ein Leichtmetallkolben (1) mit einem Durchmesser von 80 mm wird nach dem Fertigstechen der Ringnuten (2) auf eine nicht dargestellte Drehmaschine aufgespannt und mit einer Bahngeschwindigkeit von 4,0 m/s bei konstanter Drehfrequenz gedreht. Über eine mit der Austrittsöffnung dicht über der einen Ringnutenflanke (3) angeordneten Kanüle (4) wird ein Gemisch eines Resol-Krenol-Harzes mit 50% Molybdändisulfid-Teilchen von einer mittleren Korngröße von 3 µm auf die eine Ringnutenflanke (3) der ersten Kolbenringnute (2) aufgetragen. Durch die hohe Drehzahl des Leichtmetallkolbens wird das Gemisch aus Kunststoff und Molybdändisulfid-Teilchen in radialer Richtung von der Ecke Ringnutengrund (5)/ Ringnutenflanke (3) nach außen geschleudert, wobei die Ringnutenflanke (3) mit einer sehr gleichmäßigen dünnen Verschleißschutzschicht (6) von 8 µm überzogen wird. Anschließend wird die Verschleißschutzschicht (6) bei 170°C warm ausgehärtet.A light metal piston ( 1 ) with a diameter of 80 mm is clamped onto a lathe (not shown) after the ring grooves ( 2 ) have been finished and rotated at a path speed of 4.0 m / s at a constant rotational frequency. A mixture of a resole-crenol resin with 50% molybdenum disulfide particles with an average grain size of 3 μm is placed on the one ring groove flank ( 3 ) of the first piston ring groove via a cannula ( 4 ) arranged with the outlet opening close above the one ring groove flank ( 3 ) ( 2 ) applied. Due to the high speed of the light metal piston, the mixture of plastic and molybdenum disulfide particles is thrown outwards in the radial direction from the corner of the ring groove base ( 5 ) / ring groove flank ( 3 ), whereby the ring groove flank ( 3 ) with a very even, thin wear protection layer ( 6 ) from 8 µm is coated. The wear protection layer ( 6 ) is then cured warm at 170 ° C.

Claims

1. Light metal piston for internal combustion engines, the ring grooves, in particular ring groove flanks, preferably the first ring groove, are coated with a wear protection layer, characterized in that the wear protection layer ( 6 ) consists of hardenable plastic of high heat resistance with embedded particles of solid lubricant with a layered grid structure.

2. Light metal piston according to claim 1, characterized characterized that the size of the Solid lubricant particles 0.1 to 40 microns, preferably 0.5 to 30 µm.

3. Light metal piston according to claims 1 and 2, characterized characterized in that as solid lubricant particles Graphite and molybdenum disulfide individually or as a mixture in the plastic are embedded.

4. Light metal piston according to claims 1 to 3, characterized in that the longitudinally extending surfaces of the solid lubricant particles are embedded parallel to the annular groove flanks ( 3 ) lying in the plastic.

5. Light metal piston according to claims 1 to 4, characterized in that the wear protection layer ( 6 ) has a thickness of 5 to 30 µm, preferably 5 to 10 µm.

6. Process for producing the wear protection layer according to claims 1 to 5, characterized in that on the surfaces of the ring grooves at constant Rotation frequency with a path speed of 3.0 to 6.0 m / s, preferably 3.5 to 5.0 m / s, rotating Light alloy pistons the mixture of plastic and Solid lubricant particles applied one after the other and is then cured warm or cold.

7. The method according to claim 6, characterized in that the mixture in an amount of 4 to 20 ml / min is applied.